浅谈大跨径双连拱隧道的开挖与支护

总第２５３期　２０１２年第４期　交通　科技　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　８Ｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２５３　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１２　

ＤＯＩ　１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７５７０．２０１２．０４．０２０　

浅谈大跨径双连拱隧道的开挖与支护　

望日　口　天的曲　

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　５５０００１）　

摘　要　对贵阳市大跨双连拱中坝隧道的施工设计、开挖和支护方案进行了讨论研究。通过对施　工过程中连拱隧道的受力特点、开挖和支护等相关内容的论述，总结出大跨径双连拱隧道的开挖　及支护经验。　关键词　大跨径连拱隧道开挖支护　

贵阳市北京西路道路工程是为加强中心城区　与金阳新区的联系而修建，是联系金阳新区主要　

通道的组成部分。北京西路道路工程等级为城市　快速路，设计行车速度为６０　ｋｍ／ｂ。中坝隧道位　

于北京西路Ｋ４＋８００～Ｋ６＋５００道路工程Ｄ标　段，是全线的控制性工程，为双向６车道公路连拱　

隧道，全长４８５　ｍ。　

该隧道结构特点为３线大跨双连拱，隧道围　

岩以软质页岩及白云岩为主，其中ＩＶ级、Ｖ级围　岩达７５　以上。岩体整体破碎，稳定性极差。隧　

收稿日期：２０１２－０４～０４　道区内岩溶发育，仅地质勘测到的大型溶洞多达　４处，对隧道施工影响较大。此外，隧址区内岩溶　

裂隙水较为丰富，主要补给方式为大气降水。根　据中坝隧道现场施工机械、围岩状况及场地狭小　等特点，隧道开挖采用人工手持气腿式风钻钻孑Ｌ　爆破，无轨运输出渣。　

１设计方案论证　

针对中坝隧道结构和地质情况的特殊性，可　采用三维有限元数值分析方法动态模拟连拱隧道　

Ｔｈｅ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　

Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　Ｔｒａｃｋ　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｏｎ　Ｓｏｆｔ　Ｓｏｉｌ　

Ｓｕｉｑｉｎｇ　

（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｉｙｕａｎ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｓｔｒｉｃｔ　ｆｏｒ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｒａｉｌｗａｖ．Ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏａｄｂｅｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｕｂ—　

ｇｒａｄｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏａｄｂｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐａｒｔｓ．　

ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｐｌａｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｉｌｅ　ｒａｆｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｉｌｅ　ｎｅｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｕｒｃｈａｒｇｅ　

ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　

ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｅｔｔｌｅ—　

ｍｅｎｔ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ，ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ，ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ｗｏｒｋｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ；ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ；ｐｉｌｅ　ｐｌａｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｕｒｃｈａｒｇｅ　ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ；ｐｉｌｅ　ｒａｆｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；　

ｓｕｒｃｈａｒｇｅ　ｐｒｅｌｏａｄｉｎｇ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　２０１２年第４期　吴晶晶：浅谈大跨径双连拱隧道的开挖与支护　

施工全程中围岩和支护结构，了解连拱隧道的变　形规律和工程特点，获得不同施工时序隧道围岩　和支护结构的应力、位移变化特征，从而论证设计　

及施工方法的合理性和科学性。同时，可合理灵　

活地采用开挖方法，根据围岩综合运用隧道的施　工方法。隧道开挖施工以“短进尺、弱爆破、早封　闭、强支护”为主要原则Ｌ１］。为保证工期按期完　

成，隧道施工在坚持“短进尺”的同时，加强施工组　织管理，缩短单工序时间，加快施工循环速度。根　据前期勘探及地质调查资料表明，中坝隧道为ＩＶ　

级、Ｖ级围岩，为确保不对围岩进行大的扰动和施　工过程中不产生坍塌，设计提出台阶法及三导洞　

先墙后拱法两种方案对比论证。　１．１　台阶法　采用台阶法开挖，即先行中导坑及中隔墙，其　次主洞分上、中、下３个台阶依次开挖。这种开挖　

方法施工工序简单，操作方便，但主洞开挖支护　后，中隔墙即开始承重，其顶部、底部围岩出现高　

应力承压区，特别是顶部棱角处的围岩产生应力　集中，施工时掌子面稳定性较差，周边变形量较　

大，存在一定的隐患。　若为台阶法开挖，可先埋设１号、２号、３号测　

点，对Ａ、Ｂ、Ｃ　３条测线进行量测，当下台阶开挖　

到达相应的监测断面位置时，再埋设４号、５号测　点，对下部Ｄ线进行量测，见图Ｉ。　

图ｌ测点与测线布设图　Ｉ．２三导洞先墙后拱法　采用三导洞先墙后拱法施工，主要施工步骤　

是：①开挖中央导坑与临时支护；②修筑中隔墙；　

③左旁侧导坑开挖与临时支护；④挖左洞及施作　初期支护；⑤修筑左洞二次初期；⑥左洞下部及仰　

拱开挖；⑦修筑左洞仰拱；⑧右旁侧导坑开挖与临　

时支护；⑨挖右洞及施作初期支护；⑩修筑右洞二　次初期；右洞下部及仰拱开挖；修筑右洞仰拱。　

导洞超前掘进，可起到超前地质预报作用，保　

证施工的安全性和稳定性，有效地降低地表沉陷，　

而且施工无须大型机械设备，操作性强，进度稳　定，工期保障性强。　

２隧道施工要点　

（１）对于Ｖ级和ＩＶ级围岩，需合理控制３　个导洞开挖作业之间的距离，中导洞先行，系隧道　

开挖的关键；再开挖地质条件较差或受力不利一　

侧的导洞ａ（左、右两侧导洞，地质条件较差的一　

方为导洞ａ，地质条件较好的一方为导洞ｂ），ａ导　洞滞后中导洞８～１０　ｍ；然后再开挖另一侧导洞　

ｂ，ｂ导洞滞后ａ导洞８～ｉ０　ｍ，导洞均采用正台阶　法施工，台阶长度５～８　ｍ，开挖进尺于两榀钢架　间距进行。　（２）对Ｖ级和ＩＶ级围岩，要合理控制左、右　幅开挖工作面之间的距离，主洞开挖前，先开挖导　

洞ａ侧主洞，导洞ｂ侧主洞滞后ａ侧主洞８～ｌｏ　ｍ，主洞开挖前，亦采用台阶法，ＩＶ级围岩上台阶分　部开挖，先使核心部保留、支护后开挖核心部分，设、　置防水层、打排水孔或设置排水导坑等措施。　

（３）控制隧道开挖工作面及二次衬砌作业面　

之问的距离，正洞隧道开挖作业面与衬砌作业面　之间距离最小按１５　ｍ考虑。　

（４）二次衬砌采用混凝土运输车、输送泵和　衬砌模板台车的机械化配套施工方案，确保混凝　

土质量达到内实外光。　

（５）Ｖ级和ＩＶ级围岩在施工中要坚持“短进　尺、弱爆破、短开挖、强支护、早封闭’’的原则。　

（６）施工过程加强监控量测，及时处理分析　数据，调整支护参数。　中坝隧道施工因其地质复杂、风化严重、围岩　

破碎，所处地区雨季长，隧道开挖时以裂隙水为　主，为避免山体失稳、隧道坍塌，需要具有支护闭　

合及时，结构刚度大，在施工安全方面具有优势的　三导洞法。并且，中坝隧道的施工实践也同样证　

明了三导洞法开挖的有效性、安全性。　

３隧道环境分析　

３．Ｉ地质结构　

中坝隧道进口段为抗风化能力较差的白云岩　和泥岩组成，因而风化较深，围岩呈松散结构，成　

洞条件极差，加之为连拱隧道，开挖断面大，一旦　疏忽，极易发生大的塌方和地表塌陷，因此，建议　采用ＣＤ法或ＣＲＤ法施工，及时初喷，及时施作　

二衬，同时重点作好施工中的变形和应力监测，并　提高地表监测和巡视频率Ｌ２］。　

由于该隧道岩性组合为白云岩夹泥岩，白云　６０　吴晶晶：浅谈大跨径双连拱隧道的开挖与支护　２Ｏｌ２年第４期　

岩为极易溶蚀岩类，而泥岩为良好的隔水层，在岩　性交界面附近是岩溶较容易发育的区段，易出现　

涌水、突泥的灾害，施工中须重点关注岩性交界面　附近的的溶蚀迹象及地下水变化情况，建议施工　

中进行超前探孑Ｌ确认。　

３．２影响施工的地质因素　（１）洞口段浅埋与仰坡稳定性。洞口浅埋段　

围岩一般裂隙发育，风化强烈，层间结合差，岩石　破碎，岩石完整性差；地下水主要为基岩风化裂隙　

水，水量小，地下水（矿坑中或外渗地下水）具强腐　

蚀性。开挖后围岩变形较大，易冒顶。中坝隧道　洞口段仰坡较高，坡体为极为破碎的岩体或松散　

堆积体，开挖后易坍塌。　（２）断裂构造。中坝隧道受断裂影响，岩溶、　裂隙发育区，岩层受挤压较破碎，岩体呈碎裂镶嵌　

性结构。围岩自稳能力差，易出现塌方，侧墙也会　产生变形或小规模塌方。断裂破碎带具有导水　

性，地下水主要为岩溶裂隙水及脉状构造裂隙水，　有一定的水量，可能产生瞬时涌水、突水，如ＺＫ５＋　

１９２开挖工作面地质素描及测试布置，见图２。　

图２　ＺＫ５＋１９２开挖工作面地质素描及测试布置图　（３）岩溶。根据施工情况看，地勘调查与隧　道实际情况基本相符，中坝隧道存在４处程度不　

一的岩溶发育。溶蚀裂隙，溶槽，溶腔较为发育且　多溶蚀黄泥充填，软塑性，推测在断裂构造附近，　

受断裂构造断层影响，沿构造裂隙形成的溶蚀特　

征将更为明显，洞身段不排除存在规模较大的隐　

伏岩溶管道及溶洞，对隧道开挖将会造成较大影　响，存在较大安全隐患。　

（４）岩溶突泥、突水。隧道通过部位为岩溶　裂隙水补给地段，地表水岩洼地、落水洞向下渗　

透，形成层间裂隙水，隧道开挖后，水流通过岩层　

层面、节理裂隙面以线流或管状的方式流入隧道，　

流量较大，对隧道造成一定的危害。这种大量涌　

水现象称为岩溶突水。中坝隧道岩性界面附近，　

可能有岩溶突水，地表在右线右侧有一溶蚀形成　的负地形，推测存在岩溶管道。　

（５）破碎围岩掉块情况下的施工安全问题。　泥岩、砂岩在开挖后易继续风化，且原岩性较脆，　爆破后易形成众多新生裂隙，容易发生在施工过　

程的掉块现象，从而对施工人员的安全形成威胁。　

４支护措施　

隧道开挖形成新的空洞后，破坏了岩体原有　

的相对平衡状态，使隧道周围部分岩体应力重新　分布，引起围岩的变形、破坏和坍塌。为了及时有　

效地控制围岩变形，防止坍塌，必须采用工程措施　进行支护Ｌ４］。　

洞内初期支护对地应力的瞬问释放率比较敏　感，开挖瞬间地应力释放越多，初期支护承受的荷